先进 IC 设计中如何解决产热对可靠性的影响？

芝能智芯出品

随着电子设备性能的不断提升和微缩技术的进步，热效应在集成电路（IC）设计中扮演着越来越重要的角色。现代集成电路的高密度和复杂性使得热量的产生和管理成为影响其性能和可靠性的关键因素。

本文将探讨热效应如何影响先进IC设计的可靠性，并分析应对热效应的策略和方法。

Part 1

DRAM：热与数据的微妙平衡

热效应会显著影响电子迁移，导致导线中的电子流动受到干扰。随着温度升高，电子在导线中的移动速度会减慢，导致电阻增加。这不仅降低了信号传输速度，还可能引发电迁移，缩短器件的使用寿命。尤其在3D-IC和其他高密度封装器件中，热效应会对计算过程产生严重干扰。

这些影响都会影响在芯片和组件封装中正确传输预期信号的能力，通常会导致信号传输速度比系统设计的速度慢。这种传输延迟会导致非预期信息的传递，进而影响系统的可靠性。

DRAM的运行依赖于电容器中电子的存储，而温度的升高会削弱电容器保持电子的能力，进而影响数据的准确性和稳定性。随着技术的进步，电容器尺寸缩小，存储电子的数量也随之减少，使得温度对数据保真度的影响更加显著。

在高温条件下，DRAM必须提高刷新率以补偿电子的流失，这不仅增加了能耗，还可能引发可靠性问题。为应对这一挑战，现代DRAM设计中引入了片上纠错机制，通过额外的存储单元和复杂的算法，确保在电子泄露或数据翻转时能够及时检测并纠正错误。

在3D-IC和高密度封装中，热效应的影响更为复杂。温度上升会导致电气特性变化，包括漏电增加和晶体管切换周期的不稳定，从而影响信号传输的准确性和速度。在这些封装结构中，热量的积聚和扩散路径变得异常复杂，传统的散热策略难以满足需求。

随着芯片被分解成多个小芯片并在三维空间中堆叠，电源路径的长度和宽度变化，新材料的引入，都给热管理带来了前所未有的挑战。热分析成为设计流程中的关键环节，通过精确模拟热效应，确保芯片在各种条件下都能保持稳定性能。

Part 2

热量与电阻率：

功耗与性能的博弈

在芯片通电时，电子穿越导线的过程会产生热量，特别是当导线长度增加或宽度减小时，电阻率上升，所需驱动功率增大，随之而来的热量也会加剧。

在高性能芯片设计中，功耗与性能的权衡成为永恒的主题。随着芯片设计向异构集成和3D堆叠发展，散热路径变得错综复杂，传统的散热解决方案难以奏效。

设计者必须在早期阶段就考虑热效应，通过材料选择、芯片位置优化以及芯片内部结构的创新，如引入铜柱以增强热传导，来应对这一挑战。

在高耗电工作负载下，如NVIDIA Grace Blackwell型服务器，不仅要考虑数据的正确传输，还要确保电力的稳定供应。热梯度的变化直接影响到电力输送的质量和效率，进而影响到数据处理的准确性。

在这些高性能系统中，电力输送的挑战与数据传输的难度并存，温度波动可能导致时序错误，甚至引发静默数据损坏。为此，除了片上纠错机制，还需在DRAM与主机间增设额外的位进行错误检测与纠正，确保数据传输的可靠性。

小结

面对先进IC设计中的热挑战，从材料科学到电路设计，再到系统级优化，每一个环节都需要细致入微的考量。

随着技术的演进，热管理策略也在不断创新，从早期的热分析到材料的精挑细选，再到电路设计的巧妙布局，都在为实现高性能与高可靠性的完美平衡而努力。

在未来的IC设计中，如何在提升性能的同时控制热量，将是一场持续的竞赛，需要业界的共同努力与智慧。在先进IC设计的征途中，热量如同一道无形的壁垒，考验着设计者的智慧与创造力。